Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

моделировать реальность. В конце концов я сформулировал вежливое возражение, которое вы можете прочитать в эпиграфе. Оно, казалось, вполне удовлетворило и тех, кто задавал вопрос, и меня самого — по крайней мере в то время. Я пытался подчеркнуть, что если бы мир анимации достиг достаточного уровня технического совершенства и смог бы значительно приблизиться к реальности, то зрителям стало бы проще и комфортнее. К тому же вместо качества изображения они бы обращали больше внимания на героев. Мы не стремились к изображению реальности. Мы хотели показывать героев и вымышленные миры, в которых они существуют, или картины «снаружи», никак не связанные с изображением героев или миров в привычном нам виде.

На самом деле специалисты в области компьютерной графики никогда не оставались равнодушными к моделированию реальности. Инженеры NASA, первыми вставшие на этот путь, хотели продемонстрировать реальность Луны и лунного модуля астронавтам «Аполлона». А ветвь Цифрового Света, связанная с системами автоматизированного проектирования, вообще стремится отображать объекты реального мира такими, какими они будут в действительности.

Но фантастическое содержание первых цифровых фильмов, а также ранних визуальных эффектов в кино кажется вопиющим противоречием реальности. Оно снимается расширением Центральной Догмы за пределы евклидовой геометрии и ренессансной перспективы. Отныне мы включаем в Центральную Догму ньютоновскую физику, особенно физику оптики, движения и гравитации. Компьютеры и Цифровой Свет, конечно же, не ограничены ни базовой, ни расширенной Центральной Догмой.

Воспринимайте Центральную Догму как «симфоническую» форму компьютерной графики. Несмотря на обусловленные этой формой ограничения, творчество остается безграничным. Причудливые миры, созданные в рамках Центральной Догмы, чтят физику, геометрию и перспективу реального мира. Вуди и Базз Лайтер из «Истории игрушек» двигаются в условиях земного притяжения, а свет и цвет работают так же, как и в реальном мире. Или по крайней мере так нам кажется.

Как ни странно, никто никогда прежде не формулировал Центральную Догму. Наверное, дело в том, что она и так очевидна. Она определенно предназначена для людей, занимающихся САПР, а, как мы видели, у иллюстративной компьютерной графики и САПР общее происхождение. Кроме того, работа с визуальными эффектами требует соблюдения Центральной Догмы для плавной интеграции компьютерной графики в кадры игровых фильмов с живыми актерами. Это напоминает нам, что Ларри Робертс, член триумвирата, создатель компонента перспективы в Центральной Догме, нашел техническое решение, пытаясь наложить линии трехмерной компьютерной графики на фотографии простых физических объектов реального мира.

Аниматоры сжимают и растягивают форму, но работают они в «нормальном» мире, который по умолчанию предполагает наличие Центральной Догмы. Специалисты в области компьютерной графики занимались — и продолжают заниматься — моделированием реальности, изобретая новые методы один за другим.

Моделирование реальности

О, существует множество способов сжулить, например нанести на куски мыла специальные шейдеры, чтобы в течение шестидесяти секунд после использования они были как будто в пене. Но это не более чем уловка. По-настоящему воспроизвести физику мыла, пузырей, воздуха, воды и прочего чудовищно дорого, и при его жизни этого не произойдет. ‹…› Ричарда, впрочем, проблема не злила, а, наоборот, успокаивала — он даже чуточку гордился, что живет во вселенной, чья сложность не поддается алгоритмическому воспроизведению.

— Нил Стивенсон. «Падение, или Додж в аду» (2019)

Реальность недостижима для цифровых компьютеров, создающих изображения для дисплеев с ограниченным разрешением. Симулирование реальности — это все, чего мы можем достичь. Реальность непрерывная, аналоговая — по крайней мере в интересующих нас разрешениях, на порядки более грубых, чем мелкая гранулярность реального мира на уровне кварков и квантов, — действует параллельно. Солнечные лучи и другие источники света падают на наш реальный мир отовсюду одновременно. И, несмотря на бойкость моего эпиграфа («Реальность — это просто удобная мера сложности»), разрешение реального мира чрезвычайно велико.

Эта книга — не учебник по компьютерной графике, поэтому я не буду описывать все подряд методы, разработанные в компьютерной графике для имитации реальности. Я в общих чертах расскажу о первых прорывах и помогу заглянуть чуть дальше. Здесь стоит упомянуть, что эти методы широко применяются и в других областях Цифрового Света: видеоиграх, САПР, авиасимуляторах, а также виртуальной и дополненной реальности. Методы симулирования реальности не ограничиваются только цифровым кино, хотя именно вокруг него я выстраиваю повествование обо всем Цифровом Свете.

В этой и следующей главе я сосредоточусь, не забывая о необходимости более широкого обзора, на самом первом полнометражном цифровом фильме, обозначившем Великую цифровую конвергенцию, — я буду называть его Фильм. Отдельно остановлюсь на методах, которые применялись при его создании. Хотя мы могли бы двинуться и по другому пути. Только задумав Фильм в Нью-Йоркском технологическом институте, мы не отказались бы сделать его двумерным с помощью интерполирующей промежуточной программы, вне Центральной Догмы. В конце концов, мир годами восхищался диснеевскими Золушкой и Белоснежкой. От нас не успользало, какие истории и персонажи добивались потрясающего успеха.

Но, как и всё, что подвластно закону Мура, Фильм принимал окончательную трехмерную форму, соответствующую Центральной Догме, постепенно, по мере того как компьютерная графика осваивала новые возможности, появлявшиеся с каждым новым аппаратным усовершенствованием. Именно поэтому Диснею потребовалось так много времени, чтобы всецело принять новую форму. Он ждал, когда она перестанет быть игрушкой для специалистов, а полюбится зрителям и начнет приносить кассовые сборы.

Оттенки

Я уже обсуждал рендеринг, так что теперь давайте обратимся к теням и оттенкам — еще одной технологии, упомянутой в названии этой главы. Термин «шейдинг» (затенение) означает выбор окончательного цвета для каждого визуализируемого пикселя. Затенение треугольников в приведенных выше примерах тривиально: каждый пиксель — синий (или белый). Затенение приобретет все большее значение по мере того, как действие в этой главе будет развиваться, а закон Мура — делать компьютеры всё мощнее (очень жаль, что термин «силы Мура» — своеобразный аналог лошадиных сил — не прижился). Когда цветные пиксели только появились, затенение поверхности в рамках Центральной Догмы традиционно означало прямое увеличение или уменьшение яркости цвета поверхности при сохранении постоянного оттенка этого цвета. Здесь осветлить означает увеличить яркость, а затемнить — уменьшить.

Рис. 7.11

Такое простое затенение вы видели на визуализации лунного модуля «Аполлон» на рисунке 7.1. Один источник света размещается в удобном месте, например справа вверху сзади от зрителя. Чем сильнее треугольник повернут к источнику света, тем он светлее. Соответственно, чем сильнее он отворачивается, тем его поверхность темнее. Это называется плоской заливкой — технология настолько простая, насколько позволял закон Мура в те времена: каждый треугольник